Un grupo de físicos del MIPT y el Instituto Landau de Física Teórica de la Academia de Ciencias de Rusia están ahora un paso más cerca de encontrar aplicaciones para aislantes topológicos:materiales con propiedades eléctricas notables, que hasta hace poco, fueron considerados como meramente hipotéticos. Los investigadores obtuvieron conocimientos sobre la interacción entre los átomos de impurezas magnéticas en dichos materiales.

Los aisladores topológicos son un gran descubrimiento de la física del siglo XXI. Primero se predijeron teóricamente y solo luego se observaron experimentalmente. La mayor parte de estos materiales muestran un comportamiento típico de semiconductores. Pero sus propiedades en la superficie (en el borde) son muy similares a las de los metales. Por ejemplo, la corriente eléctrica puede fluir libremente sobre sus superficies. Se espera que sus propiedades únicas sean útiles para construir circuitos electrónicos con una mínima pérdida de calor, computadoras cuánticas, y otros dispositivos avanzados.

Sin embargo, para realizar dispositivos prácticos basados ​​en aislantes topológicos, es necesario comprender cómo sus propiedades se ven afectadas por las imperfecciones estructurales, como la presencia de átomos con un momento magnético distinto de cero. El momento magnético de un átomo caracteriza la fuerza del campo magnético que el átomo es capaz de crear.

La interacción entre los átomos con los momentos magnéticos, que incluyen el hierro y el manganeso, se ha investigado en muchos estudios. Puede ocurrir en metales y luego se llama interacción Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida, en honor a los cuatro físicos teóricos que lo estudiaron ya a mediados de la década de 1950. También ocurre en semiconductores, en cuyo caso se conoce como interacción de intercambio indirecto. Este tipo fue originalmente estudiado teóricamente por Bloembergen y Rowland en 1955. Otra contribución significativa al estudio de la interacción de intercambio indirecto fue hecha por A. Abrikosov, un físico soviético y estadounidense y premio Nobel que abordó las cuestiones fundamentales de la física de la materia condensada. Comprender la interacción de intercambio indirecto, es decir, la energía de enlace entre los átomos magnéticos y su dependencia de la temperatura y la distancia entre los átomos permite a los científicos predecir cómo se alinearán los momentos magnéticos de estos átomos a bajas temperaturas en un material dado.

En su nuevo periódico, que fue publicado en Revisión física B , los investigadores examinaron la interacción entre átomos con momentos magnéticos distintos de cero cerca del borde de un aislante topológico bidimensional. Igor Burmistrov, investigador del Instituto Landau de Física Teórica, y Pavel y Vladislav Kurilovich, estudiantes de la Sección de Problemas de Física Teórica del Departamento de Física General y Aplicada, MIPT, estudiaron la interacción de intercambio indirecto entre átomos de manganeso en un aislante topológico bidimensional basado en un pozo cuántico CdTe / HgTe / CdTe.

La noción de "pozo cuántico" significa que una fina capa de telururo de mercurio, o HgTe, está intercalado entre dos capas de telururo de cadmio, CdTe. Los dos compuestos tienen diferentes propiedades cuánticas que limitan los electrones a la capa de telururo de mercurio. Son, en cierto sentido, atrapados en el fondo del pozo y no pueden salir a menos que tengan una energía específica.

Burmistrov dice:"Los dos átomos con momentos magnéticos pueden interactuar de diferentes formas, dependiendo de sus posiciones:si ambos están cerca del borde, se comportan como si estuvieran en un metal, pero cuando ambos están alejados del borde, interactúan como lo hacen en un semiconductor ".

El investigador también explicó qué hace que los aislantes topológicos bidimensionales sean especiales:"En un aislante topológico bidimensional, las cuasipartículas se mueven en un plano porque la energía de cuantificación de tamaño es mayor en el pozo cuántico. "Un sistema se llama cuantizado cuando su energía solo puede asumir valores discretos, y la cuantificación de tamaño se refiere a cuando esto surge debido al tamaño limitado del sistema. Las partículas en películas delgadas se comportan de manera diferente a como se comportan en los sistemas clásicos, como un trozo de alambre de cobre o un cristal semiconductor.

El análisis teórico, Más importante, resultó en la predicción de un nuevo tipo de interacciones de intercambio indirecto entre átomos con momentos magnéticos en un aislante bidimensional. Por un lado, es similar a la interacción análoga en metales; por otra parte, se parece a lo que suele ocurrir en los semiconductores. Una combinación tan inusual domina la interacción entre pares de átomos magnéticos, uno de los cuales está cerca del borde y otro lejos de él. A pesar de que estos hallazgos teóricos no tienen aplicaciones inmediatas, son importantes para futuros estudios del efecto de los átomos magnéticos sobre la corriente eléctrica a lo largo del borde de un aislante topológico bidimensional.